Moldflow Plastics Insight

Transcription

1 M o l d f l o w P l a s t i c s A d v i s e r s The 3 nd edition of MPA Korean Manual Written by David Lee & Taesik Shin January 10, 2007

2 Ⅰ 사출성형해석개론 1. 사출성형 2. 플라스틱수지 (Plastic Resin) 3. 모델링 (Modeling eling) 4. 사출성형기 (Injection Molding Machine) 5. 사출성형공정 (Injection Process)

3 1. 사출성형 1-1) 1) 사출성형이란? 플라스틱제품을성형하는방법에는여러가지가있지만가전, 통신, 자동차등기타외관제품들과커넥터, 렌즈등의소형정밀제품생산을위한가장일반적인성형방법이사출성형이다. 사출성형을위해서는최소한제품, 런너시스템, 냉각시스템등이가공되어있는금형과플라스틱수지그리고사출성형기가요구된다. 플라스틱수지는사출성형기에의하여용융되어런너시스템과제품이가공된금형으로사출성형기에설정된성형조건으로충진되고금형의냉각시스템에의하여냉각되어충분한온도까지고화되면취출된다. 이러한사출성형방법은수축률이큰수지를고속, 고압으로금형에주입하고균일하지않은보압과냉각이가해지게함으로써여러가지성형불량 ( 미성형, 웰드라인, 에어트랩, 크랙, 싱크마크, 변형등 ) 을일으킨다. 1-2) 사출성형해석의목적사출성형해석의목적은기존의시행착오법에서벗어나제품설계또는금형설계단계이전에해석을통하여예상되는문제점들을미리파악하여제품설계와금형설계를최적화하는데있다. 1-3) 사출성형해석을위한요소성형해석을위해서는최소한모델링 ( 제품설계, 금형설계 ), 플라스틱수지, 공정조건을입력하여야하며, 이러한입력값들은 Moldflow Solver 시스템에의하여계산되어해석결과로나타내어진다. 그러면사용자는이러한해석결과를참조하여성형문제를예측하고문제점이있다면결국모델링즉제품설계와금형설계를최적화하여성형문제를해결하여야한다. 모델링 플라스틱수지 Moldflow Solver System 해석결과 공정조건 Moldflow Plastic Adviser 3

4 2. 플라스틱수지 (Plastics) 2-1) 플라스틱 (plastic) 이란? 플라스틱은모노머라불리는비교적간단한단위로부터화학적인중합공정을통해만들어지는고분자의한그룹이다. 플라스틱은일반적으로가공성및기능을목적으로가소제, 안정제, 충전제및다른첨가제와혼합된고분자복합재료를말한다. 플라스틱재료는열경화성, 열가소성으로나누며, 열가소성수지는다시결정성, 비결정성, 액정고분자로분류된다. (1) 열가소성수지 vs 열경화성수지 미세구조 열가소성수지 (thermoplastics) 열경화성수지 (thermosets) 열에대한반응 직선또는가지분자구조분자들사이에화학결합이없음 화학변화후분자들사이에화학결합을가진가교결합구조 일반적인물성 다시용융될수있음 ( 물리적상변화 ) 높은충격강도쉬운가공공정복잡한설계에적합 가교후분해없이는다시용융될수없음높은기계적강도높은치수안정성열과수분에대한높은저항성 열가소성수지열가소성수지는전체고분자제품의 70% 이상을차지한다. 범용수지에비하여엔지니어링플라스틱은강도, 내열성, 내충격성, 난연성, 내마찰성, 내약품성등이강화된플라스틱을말한다. 범용수지 ( commodity resins): HDPE, LDPE, PP, PS,PVC 엔지니어링수지 (engineering resins) : POM, PA, PC, ABS Moldflow Plastic Adviser 4

5 (2) 비결정성수지 vs 결정성수지 대표재료 미세구조 열에대한저항 일반적인물성 비결정성수지 (amorphous) ABS (Acrylonitrile Butadine Styrene) PMMA (Acrylics) PC (Polycarbonate) PS (Polystyrene) PVC (Polyvinyl Chloride(PVC) SAN (Styrene Acrylonitrile) 액체및고체상태모두임의의분자배향 명확한녹는점이없음. 투명낮은화학적저항성형시낮은부피수축일반적으로낮은강도일반적으로높은점성 결정성수지 (crystalline) PA (Nylon, Polyamide) POM (Acetals) HDPE (Low Density Polyethylene) LDPE (High Density Polyethylene) PP (Polypropylene) PBT (Polybutylene Terephthalates) 액체상태에서는임의의분자배향을가지지만, 고체상태에서는빽빽이채워진결정이생성됨 명확한녹는점이존재, T m 불투명또는반투명뛰어난화학적저항성형시높은부피수축일반적으로높은강도일반적으로낮은점성 PVT Moldflow Plastic Adviser 5

6 (3) 기타고분자의분류 액상고분자 (liquid crystalline) 액정고분자 (LCPs) 는용융상태와고체상태모두에서규칙적인분자배열을보인다. 이들재료는평행한배열을형성하는강하고막대모양의분자에의해특징지워진다. LCP는낮은점성, 낮은수축, 높은화학적저항, 높은강성을보인다. 얼로이와블렌드 (alloys and blends) 고분자얼로이및블렌드는둘또는그이상의완성된고분자의혼합시스템이다. 고분자들의조합이하나의유리전이온도를가지며시너지효과 ( 즉, 혼합의물성이각각요소의물성보다낮음 ) 를나타내는고분자를얼로이라하고, 여러개의유리전이온도를가지고그것의물성이각각요소의평균을나타낼때이고분자를블렌드라한다. Ex) ABS, PC/ABS, PC/PBT 고분자복합재료 (composites) 고분자복합재료는원하는물성을얻기위하여고분자모재에어떤강화제를혼합한재료이다. 낮은종횡비를갖는첨가제는강성을증가시키며, 높은종횡비를갖는강화제는인장강도와강성을모두증가시킨다. 첨가제 (filler): Glass Fiber, Carbon Fiber, Talc 첨가제 (filler) Glass Fiber Carbon Fiber Glass Fiber + Talc Moldflow Plastic Adviser 6

7 2-2) 2) 플라스틱유동플라스틱은그내부에점성과탄성을갖는점탄성물질이다. 점성이란흐름을방해하는성질을말하며, 일반적으로물과같은 Newtonian Fluid 유체는유동성은온도에만의존하는상수이지만, 플라스틱과같은 Non-Newtonian Fluid는유동성이온도 (Temperature) 와전단변형률 (Shear Rate) 에의존한다. (1) 점탄성거동 (viscoelastic behavior) 용융된열가소성수지는점탄성거동을보이는데이는점성유체와탄성고체특성이결합된유동이다. 내부에점성과탄성을갖는점탄성물질이다. (a) 응력의작용하에서는이상적인점성유체는계속적으로변형한다. (b) 응력의작용하에서이상적인탄성고체는즉각적으로변형하지만, 응력이제거되면완전히복원된다. (c) 응력의작용하에서는용융된열가소성수지는계속적으로변형하지만, 작용하던응력이제거되자마자변형으로부터부분복원된다. 초기상태시간 = Δt 시간 = Δt*2 최종상태 (a) 점성유체 d 2d 2d (b) 탄성고체 d d 완전복원 부분복원 (c) 점탄성유체 d 2d 2d Moldflow Plastic Adviser 7

8 (2) 용융수지전단점도 (melt shear viscosity) 용융수지전단점도는전단유동에대한재료의저항이다. 일반적으로용융된고분자는그들의긴분자사슬구조때문에매우높은점성을가진다. 고분자의점도는약 2000~3000Pa s ( 물 : 0.1, 유리 : 정도 ) 이다. 점도는전단변형률에대한전단응력의비료표현된다. F 전단응력점도 = 전단변형률 v 여기서 전단응력 = 하중 (F) 면적 (A) 전단변형률 = 속도 (v) 높이 (h) h x z y 뉴턴유체 (Newtonian fluid) 의점도는전단변형률과무관하고온도에따라변하는상수이다. 전형적인뉴턴유체의예는물이다. 그러나 대부부의용융된고분자를포함한비뉴턴유체 (non-newtonian fluid) 는점도가온도뿐만아니라전단변형률에따라변한다. Moldflow Plastic Adviser 8

9 (3) 전단변형률분포 (shear rate distribution) 일반적으로인접한재료요소상호간에빠르게움직일수록전단변형률은더크다. 즉전단변형률 (Shear rate) 는 dv x /dy, 속도구배이다. 따라서속도구배가가장큰곳은금형표면부위가되고, 가장작은곳은중심부위가된다. 또한속도가빠를수록, 두께가얇을수록속도구배가증가하여전단변형률이증가한다. Min. y x Max. 전단변형률 = dv x dy (a) 속도분포 (b) 전단변형률분포 (4) 분자배향 (orientation) 플라스틱수지의충진에의하여전단응력이발생하면고분자는흐르는방향으로배향되며, 그배향의정도는전단응력클수록배향성은크다. 따라서배향성은온도가낮을수록, 속도가빠를수록, 두께가얇을수록크다. 또한유동중배향된고분자는유동정지후배향성이서서히복원되지만고화가빠르게진행되는표면부위는냉각후에도그상태를유지한다. 전단응력 = 점도 전단변형률 (c) 유동중배향 (d) 냉각후배향 Moldflow Plastic Adviser 9

10 2-3) 수축률 (shrinkage) 열가소성플라스틱성형은가열된플라스틱수지가캐비티내에충진되고, 금형에의하여온도를상실하여냉각수축하는공정이다. (1) 성형수축의발생원인열적수축 : 성형수축발생요인중가장기본적인것으로고분자는냉각됨에아래 PVT 관계에의하여체적이수축한다. 물론그체적수축률은냉각속도와가압상태에따라달라지며, 일반적으로고속으로냉각될수록, 고압하에서냉각될수록그체적수축률은적다. 따라서성형품의두께편차가심하거나영역에따라금형온도편차가심하면냉각속도차이가발생하여수축률편차가발생하며, 두께와금형온도가일정하여도압력을불균일하게받으면역시수축률편차가발생한다. Amorphous Crystalline 결정화에의한수축 : 열가소성수지의결정성수지의경우 Tm이하로냉각되면결정화를시작하고, 이결정화에의하여체적수축률은급격히커진다. 그러나이것도마찬가지로고속으로냉각이이루어지면결정핵을생성할충분한시간이주어지지않아결정화도는낮아지고따라서체적수축량도줄어든다. Moldflow Plastic Adviser 10

11 탄성회복 : 플라스틱수지는압축성을가진다. 따라서성형압력으로부터해방될때성형품이고온이면압축되기전상태로되돌아가려고하는탄성회복이일어나, 성형품의체적이팽창하는쪽으로변해열적수축에의한성형수축이일부를상쇄하게된다. 이와같은탄성회복은압축성이큰수지일수록큰경향이있다. 분자배향의완화에의한수축 : 플라스틱수지는용융상태에서캐비티로충진되면전단변형에의하여흐름방향으로배향이이루어져늘어난다. 냉각과정에서배향성이일부완화되어당기어늘어진분자가원래상태로되돌아가려는수축이일어난다. 따라서일반적으로성형품은그흐름방향으로의수축률이그직각방향의수축률보다크다. 그러나방향성을가지는첨가제가첨가된복합재료에서는오히려배향방향의수축이강성이강한첨가제의배향에의하여수축이제한받기때문에그반대현상이나타난다. Orientation Orientation Normal Resins Composites (2) 성형수축률이와같이금형캐비티내에서성형된제품은언제나캐비티의치수보다는작다. 따라서금형의캐비티를가공할때는항상제품수축률을고려하여야한다. 성형수축은위에서설명한것과같이수지의특성이나성형조건에따라큰차이가난다. 일반적으로비결정성수지는 5/1000, 결정성수지는 15/1000 정도이다. 성형수축률 = ( 상온에서의금형치수 ) ( 상온에서의성형품치수 ) ( 상온에서의금형치수 ) Moldflow Plastic Adviser 11

12 2-4) 열적특성 (thermal properties) 플라스틱수지가금형내에사출되면그수지는충진, 보압, 냉각과정에 유동선단의온도및고화시간이결정된다. 비열, 열전도도, 밀도, 취출온도, 천이온도등에의하여 (1) 비열 (specific heat (Cp) ) 단위질량의수지의온도를단위온도상승시키는데필요로하는열량을표시하는것으로물질의열량을나타내는척도다. 이것은결국공급된열량을수지의온도로변화시키는능력을말한다. 비열이클수록성형품의냉각속도는길어진다. (2) 열전도도 (thermal conductivity (k) ) 단위길이만큼열량을전달하는능력을말한다. 즉이것은열을얼마나효과적으로전달하느냐를의미한다. 플라스틱은열전도도가금속보다훨씬작아서단열적인특성이높다. 열전도도가클수록성형품의냉각속도는짧아진다. (3) 밀도 (density (ρ) ( ) ) 밀도가높은수지일수록성형품의냉각속도는길어진다. (4) 취출온도 (ejection temperature) 수지의고체상태를정의하는온도이다. 이온도를기준으로성형품의고화정도를판단하여성형사이클을결정할수있게한다. (5) 천이온도 (transition temperature) 수지의천이상태를정의하는온도이다. 이온도이하에서는수지가더이상유동되지않는다. 성형품의미성형가능성을판단하는중요한기준이된다. Moldflow Plastic Adviser 12

13 2-5) 기계적특성 (mechanical properties) 플라스틱재료는엔지니어링플라스틱재료 (POM, PA, PC, PPO) 와같이기계적강도가강한것도있지만대체로금속에비하여기계적강도가약하다. 그러나유리섬유나카본섬유를강화시킨복합재료의경우는거의금속의기계적강도를보이며, 오히려가볍다는장점이있다. 일반플라스틱재료와복합재료의응력-변형률곡선을보면복합재료는최대강도, 항복강도, 탄성계수를현저히증가시키는반면, 훨씬더낮은변형률에서파괴됨을보인다. 사출성형해석에서제품의변형량을예측하기위해서는아래와같은재료물성이필요하다. 탄성계수 (elastic modulus (E)) 전단계수 (shear modulus (G)) 푸아송비 (poisson s ratio (ν)) 복합수지 최대인장강도 열팽창계수 (thermal expansion (CTE)) 항복점응력변형률 일반수지 탄성영역 소성영역 Moldflow Plastic Adviser 13

14 3. 모델링 (Modeling deling) 사출성형해석은수지의유동과냉각과정을시뮬레이션하는것이다. 따라서해석을위해기본적으로반드시필요한부분이수지의유동을위한금형의런너시스템과제품캐비티그리고냉각을위한냉각시스템의모델링이다. Runner System + Part Cavity Mold Modeling Cooling System Moldflow Plastic Adviser 14

15 3-1) 금형기본구조 (mold base structure) 금형은런너시스템을통하여플라스틱수지를제품캐비티에주입하고, 냉각시스템에의하여냉각한다음취출하는시스템이다 번호 명칭 번호 명칭 로케이트링고정측장치판 9 10 스프루부시스프루 스트리퍼판고정측형판 런너냉각수채널 가동측형판 13 코어 6 받침판 14 이젝터핀 스페이서블록 15 이젝터판 8 8 가동측장치판 16 Moldflow Plastic Adviser 15

16 3-2) 금형의분류 (mold types) 금형은금형구조상, 2단금형, 3단금형으로크게분류된다. (1) 2 단금형 (two-plate mold) 금형이 2개의판으로구성되어있어있다. 캐비티와같은금형판에런너와게이트가위치한다. 캐비티취출시런너와같이취출된다. A Plate B Plate (2) 3 단금형 (three-plate mold) 금형은 3개의판으로구성되어있다. 런너를위한별도의스트리퍼판이존재한다. 캐비티와런너는각각별도로취출된다. A Plate 3 Plate B Plate Moldflow Plastic Adviser 16

17 3-3) 3) 런너시스템 (runner systems) 런너시스템은용융수지를스프루에서금형캐비티로이르게한다. 런너는크게콜드런너와핫런너로분류된다. (1) 콜드런너 (cold runner) 콜드런너는드릴로가공된수지주입통로이다. 콜드런너의지름과길이는사출압력과사이클시간에큰영향을준다. 런너가작으면사출압력은상승하지만사이클시간은줄어든다. 따라서이들은해석을통해서최적화되어야한다. 이들은성형이완료된후에취출되어야함으로적절한빼기구배를주어야한다. 설치비용이저렴하다. 설계변경이용이하다. (2) 핫런너 (hot runner) 핫런너의종류에는몇가지가있으나대표적인형태가플라스틱수지주입로외곽에코일이감겨져서온도가관리되는외부가열런너 (external heated runner) 시스템이다. 충진시작이전에수지가핫런너에이미주입되어있으며, 이러한핫런너시스템은매니폴드시스템으로금형에설치된다. 스크랩의양이줄어든다. 사출압력이줄어든다. 밸브컨트롤이가능하다. Cold Runner System Hot Runner System Moldflow Plastic Adviser 17

18 3-4) 런너시스템의설정 (runner system sizing) 금형구조와수지의유동을고려하여적절한크기와모양의런너, 스프루, 게이트를사용하여야한다. (1) 스프루치수 (sprue sizing) 스프루상단의크기는사출기노즐크기에의하여결정되고, 스프루의길이는형판의두께에따라서그리고스프루하단직경은런너의크기를고려하여야한다. orifice diameter, O : 일반적으로 3.0~5.5 mm included angle : 1 ~ 3 L O Included angle (2) 런너의모양및치수 (runner shape and sizing) 런너는일반적으로원형이나사다리꼴모양을사용한다. 압력강하나열손실을고려하면원형이유리하나가공의편의성은사다리꼴모양이장점을가진다. 또한런너의치수는런너에서의압력강하나런너의고화시간을고려하여적절한크기로정하여야한다. D h = 4A P 여기서 D h = hydraulic diameter A = cross-sectional area P = perimeter Included angle 10~20 Moldflow Plastic Adviser 18

19 Full-round runner Trapezoidal runner U-shape runner Half-round runner (3) 분기된런너 (branched runner sizing) 주런너가여러개의런너로분기되는경우일반적으로더작은치수로설계한다. 이것은런너에서압력강하가일정하게유지되도록분기된런너의치수를정하기때문이다. 3 rd : 3.00mm d feed = d branch N 1/3 2 nd : 3.78mm 1 st : 4.76mm 여기서 d feed = the diameter of the runner feeding the branch d branch = the diameter of the runner branch N = the number of branches Moldflow Plastic Adviser 19

20 (4) 런너밸런스 (runner balance) 사출성형에서런너밸런스는상당히중요하다. 런너밸런스가이루어지면이때최저의사출압력으로성형이가능하고균일하게압력이가해져서제품의수축률이균일해지고따라서제품의변형을일반적으로최소화할수있다. 런너의치수를작게하면압력강하가커지므로수지의흐름이감소하고그반대의경우는수지의흐름이증가한다. 즉런너밸런스는결국충진밸런스를위한조건이다. Single 금형의경우는게이트위치를이동하여주로충진밸런스를달성하고, multi 또는 family 금형의경우는런너치수를조절하여충진밸런스를이룬다. Moldflow Plastic Adviser 20

21 (5) 게이트의크기 (gate size) 게이트의크기는게이트자국을최소화하여런너시스템을제품에서분리하기쉽도록제품의두께나런너직경에비하여작다. 게이트는일반적으로제품두께의 2/3정도크기로설계하는것이적당하나, 게이트에서의전단변형률이나압력강하가과도하자않도록적절한크기로설계하여야한다. 또한보압이끝나는순간에게이트가고화되어서수지의역류가나타나지않게조절하여야한다. 게이트에서의수지흐름속도를줄여서마찰열발생을억제하고, 압력강하를줄이며, 치수안정성과외관품질향상을위해서는게이트크기를증가하는것이좋다. Part Length or land Gate Width Thickness (6) 게이트의개수 (number of gates) 게이트의개수는정할때는우선사출압력, 웰드라인그리고수축률관점에서결정하여야한다. 런너를제외하고제품만고려한다면사출성형기최대압의 1/2 정도로성형이가능한게이트개수이상을설계하여야하며, 그범위내에서제품전체적인균일한수축률이중요하다면게이트를증가시키고, 웰드라인이중요하다면게이트개수를감소시킨다. (a) 사출압력높음, 수축률편차큼, 웰드라인없음 (b) 사출압력낮음, 수축률편차작음, 웰드라인있음 Moldflow Plastic Adviser 21

22 (7) 게이트의위치 (gate position) 게이트의위치는아래항목들을고려하여앞장에서다룬게이트의크기와게이트의개수를고려하여정하여야한다. 제품외관특성 제품의외관특성을고려하여제품위또는사이드에게이트를설계한다. 유동밸런스 낮은사출압력과균일한수축률을위하여수지가균일하게충진될수있는위치에게이트를설계한다. 수축률밸런스 제품의두꺼운부분에게이트를위치하여충분한보압이가해지도록설계한다. 정체현상 게이트주변에얇은부분은정체현상에의한미성형가능성이높으므로이를고려하여설계한다. 웰드라인 제품의중요부분에웰드라인을회피할수있도록게이트를설계한다. 에어트렙 제품내에서수지의공기의갇힘현상을회피할수있도록게이트를설계한다. 금형구조 금형구조상가능여부를판단하여게이트를설계하여야한다. Moldflow Plastic Adviser 22

23 (8) 게이트의종류 (gate types) 게이트의종류는크게두가지로분류된다. 하나는자동분리게이트 (automatically trimmed gates) 와수동분리게이트 (manually trimmed gates) 로나뉘어지고, 그형상과크기는제품의특성, 금형구조, 런너의종류등에의하여결정된다. 수동분리게이트 (manually trimmed gates) Edge gate Tap gate Overlap gate Direct (sprue) gate Fan gate Film gate (a) Edge gate (b) Tap gate (c) Direct (sprue) gate 자동분리게이트 (automatically trimmed gates) Pin gate Submarine gate Hot gate Hot valve gate (d) Pin gate (e) Submarine gate (f) Hot valve gate Moldflow Plastic Adviser 23

24 (9) 다양한런너시스템종류 (various runner system types) 게이트의종류는크게두가지로분류된다. 하나는자동분리게이트 (automatically trimmed gates) 와수동분리게이트 (manually trimmed gates) 로나뉘어지고, 그형상과크기는제품의특성, 금형구조, 런너의종류등에의하여결정된다. (a) 2 plate-mold, side-gate, runner system (b) 3 plate-mold, top-gate, runner system (c) 3 plate-mold, side-gate, runner system (d) 3 plate-mold, top-gate, hot runner system (e) 3 plate-mold, top-gate, hot & cold runner system Moldflow Plastic Adviser 24

25 3-4) 냉각시스템 (cooling systems) 금형에주입된플라스틱수지는여러가지원인으로냉각되는데, 그중가장큰역할을하는것이냉각채널이다. 또한냉각시스템과그냉각수의조건은금형온도를결정하며, 금형온도는사이클시간, 제품의광택도, 사출압력, 수축률, 변형등에큰영향을준다. 따라서냉각시스템설계최적화가필요하다. 냉각채널의구성은 Circuit, Hose, Baffle, Bubbler, Thermal Pin 등으로구성되어있으므로, 이들의최적설계를통하여성형품을가능한빠르고균일하게냉각할수있게하여야한다.. (a) Cooling System (b) Cooling System Top View Moldflow Plastic Adviser 25

26 4. 사출성형기 (Injection Molding Machine) 4-1) 사출성형기구성요소 사출시스템 (Injection system) 유압시스템 (hydraulic system) 금형시스템 (mold system) 형체시스템 (clamping system) 제어시스템 (control system) Tool Barrel Hopper Hydraulic Unit Screw (Ram) Moldflow Plastic Adviser 26

27 4-2) 사출시스템 (injection system) (1) 호퍼 (hopper) 열가소성수지는작은펠릿형태로성형자에게제공된다. 사출성형기의호퍼는이펠릿을담고있다. 펠릿은호퍼로부터호퍼목을통해배럴과스크루로중력에의하여이송된다. (2) 배럴 (barrel) 수지가가소화되고사출되는곳으로사출성형기의스크루를지지하며, 이는전기히터밴드에의해가열된다. (3) 스크루 (screw) 스크루는재료를압축하고, 녹이고, 이송하는데사용된다. 스크루는세가지영역으로구성된다. 고체이송영역 ( Feeding Zone), 압축영역 (Compression Zone), 유체이송영역 (Melting Zone) (4) 노즐 (nozzle) 노즐은배럴을스프루부시에연결하며, 배럴과금형의밀폐를형성한다. Hopper Feeding Zone Compression Zone Melting Zone Nozzle Screw Barrel Heater Moldflow Plastic Adviser 27

28 4-3) 유압시스템 (hydraulic system) 유압사출기의최대사출압력과사출속도는다음과같은관계식으로계산된다. F = V max = πd 2 P 4 hy = πd 2 4 Q 4Q πd 2 = 4 πd 2 P in P in = D 2 d 2 P hy 여기서 Phy, Q 은각각유압펌프의최대압력 (Mpa), 최대유량 ( cm3 /s) D, d는각각램의직경, 스크루의직경 P in : 스크루앞단에가할수있는최대사출압력 D 2 d 2 : 사출압력증압비 (Intensification ratio) 일반적으로사출성형기증압비는 10~16 정도이다. 따라서유압 10Mpa 은사출압력으로환산하면 100~160 Mpa 정도가된다. Screw diameter, d P in Ram diameter, D Pump Capacity P hy, Q Moldflow Plastic Adviser 28

29 4-4) 4) 형체시스템 (clamping system) 사출성형기의형체기구는금형의개폐동작을행하는것이외금형내사출된용융수지의높은압력에대항하여금형이열리지않도록충분한힘으로크램핑하는것이주목적이다. 형체기구의종류에는직압식과터글식이있다. Hydraulic Type Toggle Type 사출성형시의최대형체력은다음과같은식으로계산된다. F( 형체력 ) = A ( 투영면적 ) * P ( 금형내의최대평균내압 ) 사출성형기의형체력이사출성형시발생하는최대형체력보다커야한다. 그렇지 않으면, 플래시 (flash) 또는미성형 (short shot) 이발생할수있다. Moldflow Plastic Adviser 29

30 5. 사출공정 (Injection Process) 5-1) 사출성형과정 사출성형은사출성형기에계량된플라스틱수지를금형내로사출하는충진과정, 충진된수지가냉각에따라수축되는양을보정해주기위한보압과정, 취출가능온도까지대기하는냉각과정, 제품을금형밖으로밀어내는취출과정으로분류된다. 충진과정 (filling) 보압과정 (packing) 냉각과정 (cooling) 취출과정 (clamp Open) 따라서사이클시간은 (Cycle Time) = 충진시간 + 보압시간 + 냉각시간 + 취출시간 냉각시간 (Cooling Time) 취출시간 (Mold Open Time) 충진시간 (Fill Time) 보압시간 (Hold Time) Moldflow Plastic Adviser 30

31 5-2) 충진과정 (filling) 충진과정은스크루의전진속도제어를통하여플라스틱수지를금형의캐비티내부로충진하는과정이다. 스크루가보압전환점에도달하면캐비티는거의충진이완료된다. 충진과정은속도제어과정으로충진속도조건에따라스크루앞단에형성되는사출압력은달라진다. 충진속도가적절하지않으면사출압력이크게상승할수있다. 계량위치 쿠션 보압전환점 (V/P) Ram Position Pressure Cycle Time Cycle Time Moldflow Plastic Adviser 31

32 5-3) 보압과정 (packing) 보압과정은충진된수지가차가운금형에의하여냉각수축되는양을보충하기위하여일정시간동안스크루앞단에일정압력이형성되도록스크루를전진시키는압력제어구간이다. 일반적으로보압은게이트가고화될때까지설정하는데, 게이트가고화되면캐비티내로더이상수지공급이불가능하기때문이다. 따라서보압과정은제품수축률과밀접한관계가있다. Ram Position Pressure Cycle Time Cycle Time Moldflow Plastic Adviser 32

33 5-4) 냉각과정 (cooling) 냉각과정은금형의캐비티내에충진되고압축된수지가취출가능한온도까지대기하는시간이다. 일반적으로제품은약 80%, 콜드런너는약 50% 고화가진행되면취출이가능하다. 또한이구간동안스크루는회전후진하면서다음충진을위한수지를가소화하면서계량한다. Ram Position Pressure Cycle Time Cycle Time Moldflow Plastic Adviser 33

34 5-5) 5) 취출과정 (clamp open) 추출과정은취출가능한온도까지냉각된제품을캐비티에서분리하는과정이다. 가동측형판이뒤로후퇴하여금형이열리면밀핀으로쳐서제품을취출하고다음충진을위하여금형을다시닫는다. Moldflow Plastic Adviser 34

35 Ⅱ 유동해석 1. 유동해석이론 2. 유동해석실습 3. 유동해석결과

36 1. 유동해석이론 유동해석은플라스틱수지의금형내에서의온도, 속도, 압력의계산을통하여, 수지의충진패턴, 사출압력, 유동선단온도, 고화시간, 웰드라인, 형체력, 수축률등의정보를제공한다. 또한수지의유동과열에의하여유도된잔류응력을계산하여, 변형해석의입력값으로제공한다. 1-1) 1) 분수흐름 (fountain flow) 일반적인사출성형된플라스틱제품은두께가앏은평판제품이다. 평판제품의정의는두께 3~4mm 이하의두께에비하여폭이 5배이상큰제품을말한다. 이러한캐비티내로수지가흐를때는금형벽면에고화층을형성하면서분수와같은모양으로전진한다. 이런원리에의하여배럴앞부분에계량된수지는제품표면층을형성하는데사용되고, 뒷부분에계량된수지는제품중앙부위를채운다. 또한전단변형률이가장큰부분은고화층과유동층경계면이되고, 표면층은빠르게고화되고, 중앙부위는마지막으로고화된다. 따라서표면층은배향성이크고, 중앙부위는배향성이작다. 폭 (w) Melt 두께 (t) (a) 평판모델 (b) 분수유동 Moldflow Plastic Adviser 36

37 1-2) 전단변형률과마찰열전단변형률은제품두께와사출속도에의존한다. 즉사출속도가빠를수록, 두께가얇을수록전단변형률이크며일반적으로배향성이커진다. 또한고화층과유동층그경계면에서전단변형률이가장크다. 그리고전단변형률이크면경계면에서마찰열이발생한다. 일반적으로금형으로유입된수지는차가운금형에의하여온도가떨어지는경향을보이지만사출속도가특정속도이상이되면금형과의접촉시간이감소하여손실열이적고전단변형률의증가에따라마찰열발생이증가하여수지의유동선단온도가보존되거나오히려상승한다. 또한고하층의두께는사출속도가느릴수록금형으로의손실열이증가하여고화층의두께는증가한다. 저속사출 고속사출 (a) Shear rate (b) Temperature 마찰열 손실열 유동선단온도강하 유동선단온도상승 (c) Slow filling (d) Fast filling Moldflow Plastic Adviser 37

38 1-3) 사출압력압력은용융수지의유동저항을극복하게하는구동력이다. 스크루가보압전환점에도달하였을때스크루앞단의압력을사출압력이라한다. 이때유동선단끝단의압력은 0Mpa이다. 사출성형기의최대사출압력보다작은압력으로수지를캐비티끝부분까지충진시켜야한다. 그렇지않다면미성형의가능성이크다. 따라서이때는사출압력을줄일수있는방법을찾아야한다. 일반적으로안전률을고려하여, 사출압력이사출성형기의최대사출압력의 80% 이하가되도록금형설계및사출성형조건이설정되어야한다. Total Pressure Drop (Injection Pressure) = PD (Runner System) + PD (Cavity) 유동선단 Injection Pressure 스프루런너게이트캐비티 Flow Length Moldflow Plastic Adviser 38

39 1-4) 사출압력에의영향을미치는인자 (1) 제품설계 (part design) 제품두께제품두께가얇을수록유동저항이증가하여사출압력은증가한다. 동일한제품에서도두꺼운부분과얇은부분의유동속도는달라진다. 이러한원인에의하여정체현상 (hesitation) 과에어트랩 (air trap) 등의현상이발생한다. Thin Part Thick Part Higher Pressure Lower Pressure 제품표면면적제품면적이증가할수록동일한조건에서금형으로의열손실이증가하여, 수지의유동선단온도강하와고화층의두께증가로인한실제유동단면감소로유동저항이증가하여사출압력이증가한다. 일반적으로다수의미세한홀이존재하는제품은그렇지않은제품에비하여사출압력이상승한다. More surface area to be cooled Less surface area to be cooled Higher Pressure Lower Pressure Moldflow Plastic Adviser 39

40 (2) 금형설계 (mold design) 런너시스템의크기 (runner system size) 제품설계에서와동일한이유로사출압력이증가한다. 전체사출압력은런너의압력강하와캐비티내에서의압력강하의합이므로런너시스템을너무얇게설계를하면사출압력이증가하여미성형이발생할수있다. 또한런너시스템을너무두껍게설계하면사출압력은낮아지지만런너의고화시간이증가하여전체사출성형사이클이증가한다. Thin Gate Thick Gate Higher Pressure Lower Pressure 유동길이 (flow length) 사출압력의정의에서알수있듯이유동거리가증가하면사출압력은증가한다. 따라서유동길이를줄이면사출압력은낮아진다. 유동길이를줄이는방법은바로게이트의위와수에관련된다. 일반적으로금형설계에서결정하여야할가장중요한항목이다. 또한게이트는유동밸런스를고려하여설계하여야한다. 한쪽이아무리빨리충진되어도다른한쪽이충진되지않았다면이부분을채우기위하여사출압력이계속적으로증가한다. Long Flow Length Short Flow Length Higher Pressure Lower Pressure Moldflow Plastic Adviser 40

41 Fill time( sec ) 최대사출압력( Mpa ) (3) 공정조건 (process settings) 사출속도 (filling time) 사출속도에대한사출압력은 U커브를보인다. 사출속도가느리면, 열발생보다열손실이더커서유동선단온도가강하하여점도가증가하고고화층의두께가증가하여유동저항이증가하여사출압력이상승한다. 반대로사출속도가빠르면유동선단온도는상승하여점도는낮아지고고화층의두께는줄어들지만, 고화층과유동층사이의마찰저항이크게증가하여오히려사출압력이증가한다. 따라서캐비티내에서유동선단이적절한일정속도로흐를때사출압력은가장낮아진다. 마찰열 손실열 유동선단온도강하 유동선단온도상승 Higher Pressure Higher Pressure 성형가능구간 유동선단온도일정 사출성형기최대사출압력의 80% Lower Pressure 최적사출속도구간 Moldflow Plastic Adviser 41

42 수지온도 (melt temperature) 수지온도란가소화에의하여배럴에계량되는수지의온도를말한다. 수지온도를높이면점도는낮아지고고화층의두께는얇아진다. 따라서사출압력은낮아진다. 그러나수지온도가높으면냉각시간이길어져사이클시간이길어진다. Higher Pressure Lower Pressure 금형온도 (mold temperature) 금형온도란캐비티벽면온도를말한다. 일반적으로금형온도는냉각시스템과냉각수의온도및속도에의하여결정된다. 금형온도가높으면고화층의두께가얇아져서사출압력이낮아진다. 그러나마찬가지로사이클시간을증가시킨다. Higher Pressure Lower Pressure Moldflow Plastic Adviser 42

43 (4) 재료선택 (material) 사출압력에가장큰영향을미치는요소라고판단된다. 제품설계자는수지를선정하는데있어서수지의유동성을반드시고려하여야한다. 동일한조건이라면수지의유동성이좋은것이사출압력을줄인다. 즉게이트의수를줄여서월드라인을감소시킬수있다는것이다. 수지의유동성은앞에서언급한것과같이수지의온도와전단변형률이다. 일반적으로수지의유동성을측정하는방법으로 MI (melt index) 방법을사용하여평가하지만이는측정방법상저속구간즉전단변형률이아주낮은곳의값이다. 그러나실제사출에서의전단변형률범위는약 1000~ /s이다. 따라서이구간에서의유동성은재료의선정에따라큰차이가있다. W W Higher Pressure Lower Pressure Moldflow Plastic Adviser 43

44 1-5) 사출압력의허용범위 따라서제품의성형을위하여가용한사출성형기의최대사출압력의 75% 범위이하에서성형이가능하도록제품설계, 금형설계그리고 공정조건등이조정되어야한다. Machine Max. Pressure Target Pressure 25% 75% Target Pressure > Total pressure drop in the mold DP part + DP runner = DP total < Target Pressure runner total Moldflow Plastic Adviser 44

45 1-6) 사출속도 (1) 최적사출속도최적의사출속도는주어진조건에서사출압력이최소가되게하는것이다. 캐비티의두께에따라서도사출속도는달라져야한다. 두께가얇은경우가두꺼운경우보다금형에의한냉각으로열손실이훨씬크기때문에사출속도를증가하여전단변형률을높여마찰열을증가시켜야유동선단의온도는일정하게유지되고사출압력도낮아진다. 플라스틱재료에따라서비열, 열전도율, 점도등이상당히다르다. 온도변화에따라서점도변화가심한재료 (PC, PMMA) 는가파른 U커브를가지지만그렇지않은재료 (PP, ABS) 는완만한 U 커브를가진다. 따라서재료에따라사출압력이사출속도에민감하게변하는것이있고그렇지않은것이있다. 마찰열 손실열 (a) 두꺼운캐비티 (b) 얇은캐비티 PC PP 최대사출압력( Mpa ) Fill time( sec ) (c) 사출속도에따른사출압력 Moldflow Plastic Adviser 45

46 계량 (%) 스크루속도(%) (2) 유동선단속도스크루전진속도가일정하여도캐비티내에서의유동선단면적이캐비티형상에따라서크게다르기때문에유동선단속도도크게달라진다. 가장최적의사출은수지를유동선단온도변화가없이캐비티끝부분까지충진하는것이다. 따라서유동선단온도를일정하게유지하려면유동선단속도가일정하여야한다. 즉유동선단면적이넓은곳은사출속도를증가시키고유동선단면적이좁은곳은사출속도를줄인다. 따라서동일한속도로스크루전진하여사출한다면유동선단온도가유동선단면적에따라상승또는 하강하게되어 U 커브를생각할때결국사출압력을증가시킨다. 유동선단속도 ( cm /s) = t2, v2 t1, v1 유량 ( cm3 /s) 유동선단면적 ( cm2 ) 유동선단면적 ( cm2 ) = 유동선단둘레 ( cm ) 캐비티두께 ( cm ) (a) 유통패턴 t2, v2 t1, v1 (b) 다단사출속도 Moldflow Plastic Adviser 46

47 사이클시간 ( sec) 사출압력(Mpa) 1-7) 보압설정 (1) 보압의의미보압은충진공정이후에 캐비티내에서의수지냉각에따른수축률을보정해주기위하여 적정압력으로적정시간동안스크루를 전진시켜수지를캐비티내로계속공급하는공정이다. 따라서제품의수축률에가장큰영향을준다. (2) 보압의크기와그시간의결정보압의크기 : 수축률이크기를좌우한다. 따라서보압을높이면제품치수는커지고싱크마크는억제된다. 그러나반대의경우는제품치수는작아지고싱크가발생한다. 그러나너무높은보압은형체력을증가시키고잔류응력을증가시켜제품변형의원인이된다. 일반적으로적정보압은최대사출압력의 70~80% 이다. 보압의시간 : 보압시간은캐비티의두께에관련된다. 제품이두꺼워서천천히냉각되는경우는수축이긴시간이루어지므로그만큼긴시간동안수지가계속적으로공급되어야한다. 그러나게이트가고화된이후에는캐비티내로수지의출입이막히게되므로결국보압시간은게이트의고화시간이다. 따라서제품두께에따라적정크기의게이트를설계하여야한다. 제품이두꺼운경우는게이트고화시간이길게, 제품이얇은경우는짧게되도록게이트설계를하여야한다. 게이트의고화시간은게이트의두께와길이에크게의존한다. 충진시간보압시간 길이 (l) 보압크기 (a) 보압크기와시간 폭 (w) 두께 (t) (b) 게이트크기 Moldflow Plastic Adviser 47

48 (3) 캐비티내압변화 (a) 구간은런너시스템에서의압력강하에의하여사출압력이증가하는단계, (b) 구간은특정위치의캐비티내부압력이수지가그부분을지나가는순간부터보압전환점까지압력강하만큼압력상승하는단계, (c) 구간은보압초기에고화층을제외하고모두액상상태이므로수지가제품끝에도달하고나면수지압축에의한급격한내압상승이이루어지는단계, (d) 구간은고화가점차진행됨에보압에의한수지공급보다는냉각에의한수축이현저히증가하는단계로서, 충진끝부분에가까워질수록보압에의한수지공급이어려워져서수축에의하여내압이급격히낮아지고결국 0에도달하는단계이다. P1 P2 (a) (b) (c) (d) 사이클시간 ( sec) 사출압력(Mpa) Moldflow Plastic Adviser 48

49 (4) 최적보압설정일반적으로보압을일정압력으로균일하게가하면게이트에근접한곳은보압을크게받아수축률이적고충진마지막부위는상대적으로압력을충분히받지못하여수축률이큰수축불균형이발생한다. 이러한불균형은잔류응력을증가시켜변형을일으키는중요한원인이된다. 따라서균일한압력으로보압을설정하는것이아니라보압의크기를점점줄여주는다단보압설정을통하여캐비티내압의위치에따른편차를줄여줄수있다. 또한게이트는제품의두꺼운곳에위치한다. 일반적으로수축률은압력과고화속도에의존한다. 따라서고화속도가느려수축률이큰곳에게이트를위치하여충분한압력을공급함으로써수축률균형을이룰수있다. 그리고보압시간은게이트가고화시간이상으로설정하여야한다. 보압을게이트고화시간이하로설정하면스크루가가소화를위하여후퇴하므로게이트앞단에압축되어있는수지가뒤로흘러나간다. 따라서비정상적으로게이트주위가수축률이커진다. P1 P2 게이트 캐비티 (c) 게이트위치 Pin P1 P2 Moldflow Plastic Adviser 49

50 (5) 보압과수축률의관계아래그림은보압설정차이에따른제품의수축률분포와변형량을나타낸다. Moldflow Plastic Adviser 50

51 1-8) 냉각설정 (1) 냉각의의미제품을취출가능한온도까지고화하는공정이다. 제품뿐만아니라런너시스템도취출에문제가없을정도로고화되어야한다. 여기서취출온도 (ejection temperature) 란취출시스템에의하여응력을받아도변형되지않고충분히극복할수있는온도를말한다. 일반적으로 PP와 ABS 는약 80~90,PC는 120~130 정도이다. (2) 냉각시간설정제품을취출하기위해서는일반적으로고화정도가 80% 이상이어야하고런너는약 50% 정도고화되면취출가능하다. 일반적으로제품은얇기때문에고화가빠르게진행되므로냉각시간을증가시키는요인은아니다. 그러나콜드런너의경우는상당한시간을요한다. 따라서런너설계는가능한직경을줄이는방향으로하여야한다. 하지만런너직경을너무작게설계하면사출압력이크게상승한다. 물론수지의가소화하는시간도고려되어야한다. 제품및런너의고화시간은캐비티두께및금형온도에크게의존한다. 충진시간 보압시간 냉각시간 사이클시간 ( sec) 사출압력(MPa) Moldflow Plastic Adviser 51

52 2. 유동해석실습 2-1) 도구설명 (1) Standard Tool Open 도구 Mold Adviser 해석에사용될수있는파일은다음과같다. All Advisers Files (*.adv) Plastics Insight Model Files (*.udm) Mold Adviser Files (*. mda) Plastics Insight Study Files (*.sdy) Part Adviser Files (*. mpa) Part Files (*.stl, *.slp) 등의파일을 open 할수있으며, 실제 CAD 프로그램에서해석을위해불러들일수있는파일은 stl 형식의파일이다. 그리고 Moldflow 의 MDL 모듈이있다면, STEP(*.stp, *.step), Parasolids (*.x_t, *.x_b), IGES (*.igs, *.iges), Pro-E (*.part), Catia V5 (*.catpart) 파일을추가로열수있다. Save 도구 Plastics Adviser Files(*.adv) MPI/Model Files(*.udm) Moldflow Files(*.mfl) Boundary Conditions (*.bf3) MPX Files (*.a2x) Image Files (*.gif, *.jpg, *.bmp) 등의파일로저장할수있다. 해석결과파일은 adv 형식으로저장되며, 해석모델을 udm, mfl 등의형식으로저장하면 Moldflow의 MPI 소프트웨어에서유동해석뿐만아니라냉각, 변형, 구조해석을계속적으로진행할수있다. 모델또는해석결과는 VRML 또는 gif, jpg, bmp형식의그래픽이미지로저장할수있다. Print 도구 MPA의 window 부분만을프린터할수있게한다. Moldflow Plastic Adviser 52

53 Screen Capture 도구 MPA의 window 부분만을 capture할수있게한다. Delete 도구선택된항목을삭제한다. Redo 도구 Undo 도구에의하여취소되었던작업을복구한다. Undo 도구작업을취소한다. (2) Display Tool Select 도구해석모델상의모든부분즉 Cavity, Runner Sprue, Gate, Injection Point 등을선택할때사용된다. Cavity의회전, 이동, 삭제, Runner Sprue, Gate의삭제, 수정, 그리고 Injection Point의위치변경등에사용될수있다. Measurement 도구 Cavity 내의거리를측정할때사용된다. 측정하기위해서는한점에서왼쪽마우스버튼을누른상태에서다른한점으로이동하면측정된결과가 Mold Adviser 창하단에나타난다. Bounding Box 도구 Cavity의공간상의 XYZ 축방향의최외곽라인을박스형식으로보여준다. Pan 도구화면상으로해석모델을원하는위치로회전없이이동이가능하게한다. Moldflow Plastic Adviser 53

54 Rotate 도구화면상으로해석모델을원하는방향으로회전이가능하게한다. Dynamic Zoom 도구화면상으로해석모델을마우스를이용하여확대또는축소가능하게한다. 마우스의왼쪽버튼을누른상태에서위아래로움직이면모델이확대또는축소된다. Banding Zoom 도구화면상으로모델의특정부분을확대가능하게한다. 확대를원하는부분에왼쪽마우스버튼을누른상태에서 window를형성하게되면그부분이확대된다. Enable Clipping Plane 도구, Clipping Plane 도구화면상으로모델의단면을관찰할수있게한다. 모델을원하는방향으로회전시킨후 Enable Clipping Plane을클릭하면 Clipping Plane이활성화된다. 이때왼쪽마우스버튼을누른상태에서마우스를위아래로움직이면모델의단면을관찰할수있다. Set Center 도구지정한부분이화면의중심으로이동하고회전과줌기능사용시그부분이항상화면의중심에존재한다. Fit To Window 도구화면상으로확대또는축소되어있는모델의크기를창의크기에맞게자동되게한다. Original Orientation 도구화면상으로회전되어있는모델을 XY 평면방향으로되돌아오게한다. Plastic Attributes 도구제품모델의 Display 상태즉 shininess, shading, opacity 그리고 color 를변경할수있다. Moldflow Plastic Adviser 54

55 Display Origin 도구모델에서현재좌표계 (Global 또는 Local) 를보여준다. Display Origin 도구모델에서현재좌표계 (Global 또는 Local) 를보여준다. Injection Cones 도구 Injection Cone을보여준다. Cavities 도구 Cavity를보여준다. Runner System 도구 Runner를보여준다. Intersections 도구 Runner 교차점들을 보여준다. Runner 또는 Gate 치수를 수정할때 Intersection을감추는것이편리하다. Intersection의위치는 수정이가능하다. 수정은마우스오른쪽버턴을클릭하여 Properties에서가능하다. Beam Runner 도구 Runner를작은 Beam 형태로보여준다. Gates 도구 Gate를보여준다. Mold Outline 도구금형외곽을보여준다. Moldflow Plastic Adviser 55

56 (3) Adviser Tool Analysis Type 도구 Part Only Part only 해석에서는런너시스템 (Runner, Sprue, Gate) 설계없이 Injection Point 만을설정하고해석하는형식이다. Single Cavity Single Cavity 형식의해석에는런너시스템 ( Runner, Sprue, Gate) 설계가가능하다. 하지만 Cavity 복사기능이주어지지않기 때문에 Cavity 가하나인경우에만가능하다. Multi Cavity Multi Cavity 해석에는런너시스템 ( Runner, Sprue, Gate) 설계가가능하며 Cavity 복사기능이주어지기때문에동일모양의여러 개의 Cavity 설계가가능하다. Family Family 해석에는런너시스템 ( Runner, Sprue, Gate) 설계가가능하며, Cavity 복사기능과새로운모델의 Import 기능이가능하기 때문에다른모양의여러개의 Cavity 설계가가능하다 Moldflow Plastic Adviser 56

57 Molding Parameters 도구해석에사용할수지를선정하고공정조건을입력할수있게한다. Pick Injection Location 도구 Polymer Injection Location, 게이트위치를지정한다. 필름이나팬게이트의경우에는폭만큼일렬로죽연결되도록다수의게이트를지정하면된다. 게이트의위치를이동하고싶을때는옮기고자하는게이트를클릭한상태로원하는위치로이동시키면된다. 게이트주위를확대한후에작업하는것이편리하다. 이미지정된게이트를제거할때에는 Select버튼을클릭하고마우스로해당게이트를선택한후휴지통아이콘을눌러주거나마우스의오른쪽버튼을눌러 Edit-Delete를선택한다. 또는키보드의 Delete키를눌러도제거된다. 모델도이렇게하여제거할수있다. Cavity 도구 Coordinate System: 절대좌표 (Global) 의원점을이동할수있다. 이동을원하는만큼 Local 항에크기를입력하고 OK를입력한다. 최초의위치로절대좌표의위치를되돌리고싶다면, Global 항에 를입력하면된다. Rotate : 모델의방향을바꾸어준다. Moldflow에서정확한형체력을계산하려면투영면이 X-Y평면이되도록해야한다. 즉 Sprue는 +Z축방향이되게모델을회전시킨후해석을수행하여야한다. Translate : 모델을원하는좌표로공간이동을시킨다. Copy : 모델을원하는좌표에복사를한다. Mirror : 모델을절대좌표원점을중심으로대칭이동시킨다. Align Parts : 제품을정렬하거나모델들의게이트위치를정렬하게한다. Moldflow Plastic Adviser 57

58 Duplicate Part 도구모델을금형의 Cavity수만큼여러가지형태로복사를가능하게한다. Multi Cavity와 Family Type 해석을선택하면활성화된다. Import Part 도구해석모델이형상이같은것이아니라형상이다른여러개의 Cavity일경우다른 Cavity 모델을 Import 할수있게한다. Family Type의해석에서만활성화된다. Parting Plane 도구금형의파팅면을설정한다. 실제금형의파팅면을나타내는것이아니라설계상필요에의한파팅면이다. Side Gate를사용하는 2단금형과 3단금형에서는금형의파팅면이파팅면이되며, Pin Point 형태의 3단금형에서는 Gate의길이상단부위에파팅면을설정한다. 파팅면의위치는 Top, Bottom 또는임의의위치로지정할수있다. A A A 3 3 B B B Specify Mold Dimensions 도구금형의형태및크기를지정한다. Mold Offset은금형의 XY축의크기를정의한다. Mold Thickness의경우 2단금형과 3단금형으로나눌수있다. 2단금형의 A판은파팅면으로부터의 Sprue의높이가되고, B판은파팅면으로부터금형받침판까지의크기로입력한다. 3단금형의경우 A판과 B판의경우 2단금형과동일하고 3plate의경우파팅면에서 Sprue 하단까지의높이가된다. 그리고 Mold Dimensions에는금형의 XY 평면크기를입력한다. Moldflow Plastic Adviser 58

59 Edit Runner Default 도구런너시스템 ( Runner Sprue, Gate) 의기본형상과치수를결정한다. 치수와형태는이후에도마음대로변경할수있다. Import Runners 도구 Mold Adviser에서기존에모델링되어있는모델의런너시스템을그대로이용하고자할경우사용하는도구이다. 기존의 Mold Adviser File을불러오게되면런너시스템만불러온다. 이를 Reattach Cavity 도구를이용하여현재의모델게이트에붙일수있다. 또한 Mold Offsets를통하여금형내에서의 Cavity의위치를조절할수있다. Drop Point 도구금형의 XY 좌표상에 Sprue 위치를결정한다. 기본적으로금형의중심에 Sprue가위치하지만임의의위치로변경할수있다. Sprue의위치를결정하면 3가지옵션으로자동적으로 Feed System을설계할수있다. Generate Sprue", Generate Sprue And Gates", " Generate Sprue, Gates And Runners", 일반적인형상인경우 3번째옵션으로설계하면추가적인 Runner 설계없이모델링이끝난다. 하지만특수한설계의 Runner System이거나 Gate가여럿이어서 2단금형에서 Runner의높이가다르거나, 3단금형에서 Gate의 Z축높이가다른경우에는첫번째옵션을선택하고다음도구인 Edit Runner 도구를이용하여직접설계한다. Runner Design 도구 Runner를수동으로설계하거나추가할경우에사용한다. 우선 Gate를설계하고 Runner를설계한다. Injection Point 위치에마우스를근접하면사각형박스가나타나고이를클릭하면좌표를입력할수있는창이나타난다. Gate의길이를좌표에입력하고, Gate의설계가끝나면 Runner도같은방법으로설계한다. 최종 Runner는 Sprue 하단에연결하면된다. Move Runner 도구이미설계된 Runner의위치를파팅면상에서옮길수있게한다. Reattach Cavity 도구 Runner Import 도구를이용하여불러들인런너, 스프루, 게이트를이모델의 Injection Point에옮겨서연결할때사용된다. Ctrl키를누른상태에서 Injection Point와게이트를동시에선택하고 Reattach Cavity를클릭하면된다. Moldflow Plastic Adviser 59

60 Analysis Selection 도구 MPA에서가능한해석의종류는다음과같다. Molding Window Analysis, Gate Location Analysis, Cooling Quality 는 Part Only Type 해석에서만가능하고, Sink Mark Analysis, Warpage Adviser 는 Plastic Flow (Fill+Pack) 이끝난후에가능하며, Runner Balance Analysis 는 Multi Cavity Type 와 Family Type 의해석에서만가능하다. Molding Window Gate Location Plastic Filling Sink Mark Cooling Quality Runner Balancing Cooling Circuit Adviser Performance Adviser (Fill+Pack) Performance Adviser (Warpage) Part Only O O O O O X X O O Single Cavity X X O O X X O O O Multi Cavity X X O X X O O O X Family X X O X X O O O X Moldflow Plastic Adviser 60

61 Specify Material : 수지의 Manufacturer와 Trade Name을이용하여해석에이용할수지를선정할수있다. Moldflow Standard Database에는약 8000개의선택가능한수지가존재하는데, 이들은 Moldflow Materials Testing Lab 측정연구소에서적절한절차에의하여측정된수지들이다. Material DB는계속적으로추가되고있다. 동일한수지가 Moldflow DB에없을경우수지업체에의뢰하여 DB를구하거나유사수지를소개받아서사용한다. 단이때는해석의신뢰도에상당한영향을줄수있으므로주의하여사용한다. Search Materials : 방대한양의수지를 DB를보유하고있기때문에 Search 기능을제공한다. 다양한선정기준을가지고원하는수지를찾을수있다. 또한두가지이상의수지를 Ctrl키를이용하여동시에선택할경우 Compare 기능을가지고서로비교분석할수있다. Moldflow Plastic Adviser 61

62 Details : 각각의수지들의상세한정보를볼수있다. 일반정보, Rheological properties, Thermal properties, PVT properties 등의정보를얻을수있다. Reports : 각각의수지의데이터측정이력이다. 언제어디서누가측정하였는가를알수있다. Moldflow Plastic Adviser 62

63 Material Properties (deg.c ( deg.c) Mold Temp. : 수지업체에서추천하는값이 default로나타난다. Melt Temp. : 수지업체에서추천하는값이 default로나타난다. Maximum Injection Pressure Limit Maximum Injection Pressure Limit : 사출성형기의최대사출압력을입력하는곳이다. Velocity/Pressure Switch over : 보압전환시점을자동또는특정 volume % 를지정한다. Machine Injection Time Auto Injection Time : 소프트웨어가자동적으로사출압력이가장낮아지도록 Injection Time을결정한다. Time: 해석자가원하는시간을입력한다. Machine Clamp Open Time (sec) : 제품취출시간이다. 최종성형 cycle time을계산하기위하여필요로한다. Packing Profile : 보압설정을입력하는곳이다. % 충진압력또는절대압력과시간의관계로설정한다. 여기서 % 충진압력이란보압전환시점의압력을 100% 로계산한다. Cooling : 냉각시간을자동또는직접설정한다. Adviser 도구 Confidence Of Fill, Quality Prediction 그리고 Warpage Indicator 해석결과를신호등표시법을통하여알기쉽게표현해주며, 이들결과에영향을주는변수들의정확한값과그신호등결과의원인을알수있게한다. Moldflow Plastic Adviser 63

64 4) View Point Tool 모델을 View point 도구에설정된방향으로 View Point 를회전시켜준다. 5) Animation Tool Plastic Flow Analysis 의 Fill Time 결과를관찰할때이도구를이용하여 animation 형태로관찰할수있다. 6) Cooling System Tools Cooling Plane 금형의냉각채널이존재하는면을나타낸다. 이들은 Add Cooling Plane 도구를이용하여추가하거나 Move Cooling Plane 도구를이용하여이동이가능하다. Add Cooling Channel 도구를이용하여냉각채널을직접설계하거나 Cooling System Wizard 도구를이용하여자동설계할경우에이들면위에서만냉각채널설계가가능하다. Add Cooling Plane 위에서설명한냉각채널면을추가하는경우에사용된다. 일반적으로제품상하측에한개씩만들면된다. Move Cooling Plane Add Cooling Plane 도구를이용하여만든냉각채널면을이동할때사용된다. Moldflow Plastic Adviser 64

65 Cooling System Default 냉각채널의모양과크기를선택입력한다. Baffle 또는 Bubbler의경우는일단냉각채널과동일한방법으로설계를한후에 Properties변경을통하여 Baffle 또는 Bubbler로지정한다. Add Cooling Channel 냉각채널면위에냉각채널을추가할때사용된다. Grid를이용하여설계가가능한데 Grid size 나, Snap to Grid의기능을지정하기위해서는 File->Preference-> Grid settings에서지정한다. 이때 Specify Mold Dimensions 도구를이용하여지정한금형외곽면을벗어나도록냉각채널을설계한다면자동적으로냉각채널의속성이호스로바뀐다. 그리고냉각수입수부를지정하기위해서는반드시호스의속성을가져야한다. Move Cooling Channel 일단만들어진냉각채널을주어진냉각채널면상에서자유롭게이동이가능하다. Cooling System Wizard 냉각채널설계를마법사도구를이용하여자동설계가가능하다. Import Cooling System 기존에다른모델설계에서만들어져있는냉각채널을불러올때사용하는도구이다. 7) Help Tool MPA 의사용설명, 용어정의그리고기타사출성형에관련된다양한정보를제공한다. Moldflow Plastic Adviser 65

66 8) Result Tool Result Type Contour 형식의결과로주어지는모든해석결과들이이곳에입력되고이것을선택함으로써해석결과를관찰할수있게된다. Help On Displayed Results 도구 Result Type에서선택된해석결과에대하여해석결과가의미하는것을 Help를이용하여상세하게알수있게한다. Weld Line 도구 Plastic Flow Analysis의결과로서 Weld Line의위치를나타내어준다. Air Trap 도구 Plastic Flow Analysis의결과로서 Air Trap의위치를나타내어준다. Warpage Reference Plane 변형해석결과의기준면을지정하게한다. 즉 Warpage Indicator 해석결과는이기준면에서벗어나는변형량을표시한다. 즉기준점으로지정한 3 point를 Z축같은높이로배치한상태에서그기준면에서벗어나는양을변형량으로표시한다. Warpage Adviser 해석이끝난후에자동적으로이기준면을지정하도록나타나며, 그후에도다시기준면을바꾸어서 Warpage Indicator 해석결과를나타낼수있다. Moldflow Plastic Adviser 66

67 Edit Warpage Constraints Nominal Max. 값을지정하는곳이다. 위에서설정한기준면을기준으로그수직방향으로어느정도의변형만이허용되는지그크기를지정한다. 그러면 Warpage Indicator 해석결과에서이범위를벗어나는부분을보여주며, 그원인을 3가지 (Cooling, Shrinkage, Orientation) 로구분하여나타내어준다. Lock Result View 여러창의해석결과를동일하게나타내어그결과를비교하고자할때사용된다. Lock View 각창의모델 Display를동일하게조작이가능하게한다. Notes 도구해석결과에주석을달수있게한다. Summary 모든해석의해석결과의 Summary를 Text형식으로저장하고있다. Moldflow Plastic Adviser 67

68 Report 도구해석결과를 Web 형식의보고서로쉽게작성할수있게한다. 기본적인양식을갖고있기때문에간단한해석에관한정보를입력하고원하는해석결과를선택하면자동적으로 Web 형식의보고서를만들어준다. Cost Adviser Plastic Flow Analysis를끝마치면가능한도구로서, 제품을생산하는데소요되는비용과단가를자동적으로계산한다. Material 단가, Mold 가공및유지보수비용, 사출기의운용시간과그비용, 제품의후가공및기타부대비용을입력하게되면자동적으로총생산비용과제품하나의단가를계산하여준다. Moldflow Plastic Adviser 68

69 2-2) 2) 해석을위한모델준비 (1) STL 형식의 Solid Model 해석을위해서는 3D CAD에서설계된 Solid Model의 STL 형식의파일을요구한다. MDL module이있는경우에는 igs, step, x_t, x_b (Parasolids), part (Pro-E), Catpart(Catia) 등의파일을직접사용할수있다. 3D CAD Part STL Mesh MPA Mesh Chord height Actual Part Surface Approximated Surface in the STL Moldflow Plastic Adviser 69

70 (2) 해석모델의요구조건 MPA 해석에서는평판모델만해석이가능하다. 평판모델이란제품두께가 3~4 mm 이하이며제품폭이두께에비하여 5배이상이어야한다. 또한제품의상측과하측면들이같은방향의곡률을가져야한다. 그렇지않으면해석에서제품의두께를정확히인식하지못한다. 그리고런너시스템은 MPA 에서빔 (Beam) 으로별도설계를하여야한다. 사출성형되고있는대부부의제품은위의요건을만족하는평판모델이다. 그렇지만커넥터, 광학렌즈, 핸들, 칫솔대기타부품들은위의요건을만족못하는경우가있다. 이러한경우해석의신뢰도는상당히낮다. 폭 (w) 두께 (t) (3) 해석을위한 Mesh 생성일반적으로어떤해석이든지 CAE 해석을위하여 mesh는반드시필요하다. 또한 정확한해석을위하여이러한 mesh는 경우에따라 복잡한과정을거쳐수정되어야한다. 그러나 MPA 해석에서는 mesh를제어하지않는다. 즉수정할수도없고, 눈으로확인할수도 없다. 단지해석수행시내부적으로 mesh가자동으로만들어진다. 이는 MPA가해석의정확도보다사용의편의에더높은비중을 두었기때문이다. Moldflow Plastic Adviser 70

71 2-3) 유동해석런너시스템설계 본예제는 3 단금형구조의 Single Cavity 의런너시스템설계절차를나타낸것이다. Mold Adviser 7.3 을실행한다. (1) Sold Model Open 하기 ( C:/ Program files / Moldflow / Mold Adviser 7.3 / Sample / Cluster) (2) Analysis Type 결정 (3) Injection Location 결정게이트위치를아래그림과같이세점선택한다. 일단 Pick Injection locations 도구를이용하여게이트위치를클릭하여노란색콘을만든다음마우스오른쪽버튼을눌러 Properties를선택하여정확한좌표값을입력한다. Left Gate Center Gate Right Gate X : -98 X : 0 X : 98 Y 는건드리지않는다. Z : -14 Z : -14 Z : -14 좌표값을재설정할경우마우스로다시클릭선택하여 properties 로들어갈수있다. Moldflow Plastic Adviser 71

72 4) Sprue 방향이 + Z 축이되도록회전이모델의경우스프루의방향이 + Z축이므로 rotate를할필요가없다. Modeling Tools기능중에 rotate기능을선택하고모델을클릭하면활성화된다. 그리고 x, y, z축으로회전시키면된다. 5) 파팅면결정 MPA 에서의 Parting Plane이란 2단금형에서는러너의 Z축위치를말하고 3단금형에서는 Pin Point Gate의길이를말한다. 이실습에서는 Z : 0 를입력한다. 6) 금형의폭및높이지정 Mold Dimension은금형의 XY 평면의넓이를지정하는곳이다. 그리고 Mold Thickness에는금형의높이를입력한다. Mold A Plate에는스프루의높이를입력하고, 3 Plate에는위에서설정한파팅면과스프루하단면까지의높이를입력하며, B Plate는파팅면으로부터받침판까지의높이를입력한다. (p.90 참조 ) 70mm 120mm 100mm Moldflow Plastic Adviser 72

73 7) Default Feed System 크기및형상결정런너, 스프루, 게이트의크기와모양을미리정의한다. 여러가지형태와크기의러너와게이트를사용할경우모델링전또는모델링후수정하여원하는모델링을완성할수있다. 원하는단면형상과치수를입력하고시작지점과끝지점을정해주면자동으로원하는러너와게이트스프루를모델링할수있다. 실습 : 러너 (COLD) - 단면원통형 Diameter (5mm) 게이트 - 단면원뿔형 Start Diameter (5mm) End Diameter(1mm) 스프루 (HOT) 단면원뿔형 Start Diameter (4mm) End Diameter(6mm) 8) Sprue 위치결정스프루위치를결정한다. 스프루의길이는금형크기에서정해놓은두께만큼인식되어모델링된다. 따라서스프루의위치를 X,Y 축상으로만결정하면된다. 기본값은금형의중앙에스프루를위치하게끔되어있으며좌표값을입력하여사용할수있다. 본실습에서는기본값을사용한다. 9) 자동모델링스프루위치를결정하고나서 OK를누르게되면오른쪽과같은화면을볼수있다. 여기에서원하는기능을선택하게되면자동으로모델링을하는범위를정하게된다. 예를들어 generate Sprue, Runners and Gates를선택하게되면 7) 에서설정해놓은값대로스프루러너게이트가생성된다. 다만생성과정에서자동으로생성이불가능한경우도있어스프루만또는스프루와게이트만자동으로모델링하고러너는수동으로모델링하는것이일반이다. 본실습에서는스프루만생성한다. Moldflow Plastic Adviser 73

74 10) 게이트생성스프루가자동으로생성되어있는상태에서위에보이는아이콘을선택하고제품에찍혀있는 Injection Location 에마우스를갖다대면 snap 기능으로사각박스가나타난다. 이때마우스왼쪽버튼을누르게되면자동으로 Injection Location Cone 의시작지점이선택되면아래와같은창이뜨고절대좌표또는상대좌표값을입력해게이트를생성한다. 실습 : Relative Position 선택 Y : -18 Z : 14 게이트 3개에대하여동일하게적용한다. 11) 런너생성다시러너모델링아이콘을클릭하고이미생성된게이트의끝단에마우스를갖다대면사각박스가나타난다. 이때클릭하여시작지점을선택하여야완전하게연결된러너를생성시킬수있다. Moldflow Plastic Adviser 74

75 12) 러너연장러너를연장해서모델링한다. 13) 핫러너모델링스몰스프루에서연장하여핫러너를모델링한다. 모델링방법은동일하며속성만바르게변경해주면된다. Relative Position 선택 Z : 8 mm 모델링후선택은 select 아이콘을클릭한후선택 2mm 8mm Moldflow Plastic Adviser 75

76 14) 핫러너모델링수직핫러너를모델링할때에는 properties 창에서 Mold 기능을통해금형면까지의길이로자동으로모델링할수있다. 속성변경 : Hot runner Diameter : 8mm 속성변경 : Hot runner 8mm Moldflow Plastic Adviser 76

77 13) 러너모델링완성 3개의게이트를모두모델링하여최종형상을완성한다. 13) 해석모델의이상유무점검모델의완성도를검사한다. 연결이되지않은부분은활성화되어나타난다. 그부분은다시모델링해주면된다. Tip : 모델링할때가능한확대하여작업하는것이에러를일으키지않는다. Moldflow Plastic Adviser 77

78 2-4) 유동해석공정조건설정 (1) 해석의종류지정해석은 Performance Adviser (Fill+Pack) 을선택한다. 유동해석에는 Plastic Filling 과 Performance Adviser (Fill+Pack) 이있다. 단순유동패턴과사출압력을보고자한다면 Plastic Filling 해석을하고 압력, 수축, 형체력결과를보고자한다면보압과정이포함된 Performance Adviser (Fill+Pack) 해석을수행하여야한다. High analysis resolution 이란메쉬사이즈를결정하는옵션으로자동메쉬생성시메쉬사이즈를작게만들어좀더좋은결과를얻을수있고반면에해석시간은그만큼오래걸린다. 권장하기로는시간적여유가있다면사용하면좋고모델이복잡할수록사용하는것이결과를얻는데유리하다. 본실습에서는사용하지않는다. Moldflow Plastic Adviser 78

79 (2) 수지선택사용할수지를검색하고선택한다. 수지선택창이다. 기존에사용하던수지데이터는위쪽창에등록이되어있어간단히선택할수있고새롭게선택하는수지는아래쪽 Search material 에서아래와같은방법으로검색하여사용할수있다. Manufacturer : 제조회사이름 ( 예 : cheil) Trade name : 제품명 ( 예 : starex 0690M) Family abbreviation : 수지종류 ( 예 ABS) Moldflow Plastic Adviser 79

80 (3) 충진조건설정수지온도, 금형온도사출성형기최대사출압력, 보압전환점, 충진시간, 보압조건등을입력하고마침을누르면해석이진행된다 금형표면온도설정 ( 기본값은수지측정후권장값 ) 수지용융온도설정 ( 기본값은수지측정후권장값, 사출기노즐끝단온도로설정하면된다.) 사출기사양최고압력 : 사출기가낼수있는최고사출압을말합니다. 해석상이이상의압력을줄수없도록제한합니다. 보압전환위치 : 볼륨 % 로설정합니다. 충진이설정값에도달하면속도제어에서압력제어로전환됩니다. 사출시간 : 제품을 100% 충진시키는데걸리는시간을말합니다. 즉체적 / 사출시간 = 유량 cc/sec 의사출속도로설정됩니다. 금형개폐시간 : 냉각해석을위해필요합니다. Moldflow Plastic Adviser 80

81 (4) 보압조건설정수지온도, 금형온도사출성형기최대사출압력, 보압전환점, 충진시간, 보압조건등을입력하고마침을누르면해석이진행된다 보압설정방법중충진해석결과의최대사출압의 % 값을이용하여보압값을설정한다. 보압설정방법중사출기에서사용하는절대압력을직접입력하여보압값을설정한다. 다단보압을설정할경우위와같이하며오른쪽 Plot을눌러보면설정형태를살펴볼수있다. 냉각시간설정 : 자동으로할경우제품이고화온도에도달할때까지시간을찾아냉각시간으로설정한다. 냉각시간을직접입력한다. 마침을누르면해석이진행된다. Moldflow Plastic Adviser 81

82 3. 유동해석결과 3-1) 해석결과요약 (result summary) 해석이끝나고나면자동적으로아래창이나타난다. 이결과는다시메뉴에서 Results->Summary를클릭하면나타난다. 여기에서는사출성형해석결과를 text로요약하여보여준다. 관심있게보아야할부분은사출압력이다. Moldflow Plastic Adviser 82

83 보압해석결과의요약이다. 관심있게보아야할부분은형체력이다. 대부분의경우형체력은충진단계가아닌보압단계에서최대값을갖는다. 실제적용된보압값 Moldflow Plastic Adviser 83

84 3-2) Fill Time Fill time result는시간에따른수지의충진패턴을등고선을이용하여나타낸다. 같은등고선상에있는부분은같은시간에충진된부분이며, 등고선은실제충진시간을일정등분으로나눈것이다. 따라서등고선간격이좁은영역은넓은영역에비하여충진속도가느린곳이고그렇지않은곳은상대적으로빠른부분이다. 등고선간격이좁은영역은유동선단의전진속도가느리므로유동선단온도가급격히낮아진다. 심할경우정체현상에의하여미성형이발생할수도있다. 그리고이러한유동선단이서로만나서웰드라인을형성하면두꺼워진고화층으로인하여웰드라인의깊이가커진다. 또유동패턴을통하여웰드라인의위치와접촉각등을확인할수있다. 수지의충진과정은 Animation 도구를이용하여자세히관찰할수있으며, 상세한관찰을원한다면 File-> Preference-> System에서 Number of frame 수를증가시킨다. Fill Time 결과는 Weld Line, Air Trap, Hesitation, Overpacking, Racetrack Effect, Underflow, Unbalanced Flow 등을예측하거나방지하는데도움이된다. Moldflow Plastic Adviser 84

85 3-3) 3) Injection Pressure Injection Pressure Result는제품성형시요구되는최대사출압력이다. 사출성형은충진 + 보압 + 냉각 + 취출의사이클을가지는데충진과정은속도제어구간이다. 따라서충진과정의사출압력은주어진사출속도로수지를캐비티끝까지충진하는데요구되는압력이다. 만약사출압력이충분히주어지지않는다면설정된사출속도로수지를제품내부로충진하지못하고미성형이발생할수있다. 사출압력에가장큰영향을주는변수는수지의유동성, 사출속도, 유동거리그리고제품두께이다. 사출속도에따른사출압력변화는일반적으로 U 커브를가지며, 유동거리를줄이는방법은게이트를증가시키거나유동균형이이루어지도록게이트위치를조절하는것이다. 여기서사출압력의단위는 Mpa 인데실제현장에서는 Bar, Kg/ cm2, 또는 % 압력 ( 사출기최대사출압력에대한 ) 사용하므로주의하여야한다. 그리고일반적으로성형은사출기최대사출압력의 80% 이내에서성형이완료되도록하여야한다. Moldflow Plastic Adviser 85

86 3-4) Pressure Drop Pressure Drop Result는수지의유동선단의진행으로발생하는사출압력상승이다. 즉등고선간격이좁은영역은압력강하가큰부분을나타내고, 또압력강하는일반적으로유동선단이제품두께가얇은부분을통과하거나정체현상에의하여유동선단온도가낮아진상태에서흐를때크다. 이결과는결국사출압력결과와동일하다. Moldflow Plastic Adviser 86

87 3-5) Flow Front Temp. Flow Front Temp. result는수지가제품내부로흘러갈때수지의그유동선단의온도이다. 유동선단의온도는유동선단의속도에크게영향을받는데, 유동속도가느려지면수지의유동선단이금형과접하는시간이길어져열손실이크고마찰열발생이적어지기때문에수지의유동선단온도가크게낮아진다. 유동선단온도는일정하게유지되는것이좋지만다단사출을하지않았고제품두께도지역에따라차이가크기때문에일정한유동선단온도가되기는힘들다. 그러나특정부분에서온도가급격히낮아지는유동정체현상이발생하여서는안된다. 또한유동정체가일어나지않는데도유동선단온도가많이낮아진다면전체적인사출속도를빠르게하여야한다. 그렇지않으면사출압력이상승한다. 따라서유동선단온도는사출속도를결정하는주요한요소이다. 일반적으로사출성형시수지유동선단의온도범위는수지DB 내에정의되어있는수지 Melt Temp. 구간내에존재하는것이좋고그렇지않다면최소한수지가더이상흐르지않는온도 Transition Temp. 보다는높아야미성형이발생하지않는다. 특정부분의과도한정체현상에의하여유동선단온도가급강하한다면이경우는사출압력이충분하여도미성형이발생하는경우가된다. Moldflow Plastic Adviser 87

88 3-6) Confidence of Fill Confidence of Fill Result는주어진런너시스템설계와공정조건으로제품이미성형없이성형될가능성만을나타낸다. 충진가능성을평가하는기준은사출압력과수지의유동선단온도이다. 이결과는아래그림에서나타낸것과같이충진가능성결과를신호등표시의 3가지색상으로나타난다. Green 영역은충진이 100% 가능한영역, Yellow 영역은충진이어렵게가능한부분, Red 영역은미성형가능성이큰부분이다. Green 영역 : 사출압력이사출기최대사출압력의 80% 이내, 유동선단온도는수지 DB에정의되어있는 Melt 온도범위 Yellow 영역 : 사출압력이사출기최대사출압력의 100% 이내, 유동선단온도는 Transition Temp. 이상 Red 영역 : 위의조건을벗어난경우 Moldflow Plastic Adviser 88

89 3-7) Cooling Time Cooling Time Result는제품이충진이 100% 완료된직후부터취출온도까지두께방향으로 90% 냉각되는데요구되는시간이다. 이결과는사이클시간을예측가능하게한다. 여가서취출온도는수지 DB에정의되어있는 Ejection Temp. 이다. 일반적으로제품은 80~90%, 런너는 50~60% 냉각이이루어지면취출이가능하다고한다. 대부분의경우제품은빠르게고화하지만상대적으로직경이큰런너의고화시간이사이클시간을좌우하기쉽다. 그러나런너의 50% 고화되는시간을정확히알수없다. 하지만고화의진행이선형적으로이루어진다고생가하고대충계산하면사이클시간중보압과냉각시간을예측할수있다. 또한냉각시간이제품의특정영역에서너무크다면이는싱크마크또는수축률편차에의한변형의가능성이큰부분이므로제품설계시이를반영하여야한다. Moldflow Plastic Adviser 89

90 3-8) %Frozen Layer % Frozen Layer Result는충진이끝난직후의제품두께방향의고화정도를나타낸다. 여기서 1의의미는두께방향 100% 의수지가모두취출온도에도달하여고화된것을나타낸다. 일반적으로모든제품의영역이동시에냉각이이루어지는것이가장좋은데, 충진직후고화정도가크다는것은유동과정에유동정체에의하여유동선단온도가급격히강하한부분을의미한다. % Frozen Layer는유동정체에의한미성형을판단하는데좋은자료가된다. Moldflow Plastic Adviser 90

91 3-9) Average Temperature Average Temperature Result는충진이끝난직후에제품내의제품두께의수지평균온도이다. 평균온도는제품의두께뿐만아니라유동선단속도에따라서크게차이가나다. 일반적으로유동선단이비교적빠른부분은마찰열에의하여평균온도가높을것이며속도가느린부분은평균온도가낮을것이다. 평균온도가낮으면정체현상과미성형의발생가능성이크고평균온도가너무높으면수지의열화가발생할수있다. 그리고평균온도가낮은부분에웰드라인이형성된다면웰드라인의깊이는클것이다. 또평균온도가영역에따라큰차이를보이면고화속도가달라져수축편차에의한변형이발생한다. Moldflow Plastic Adviser 91

92 3-10) Skin Orientation Skin Orientation Result는충진과정에서발생하는 수지의 전단변형에의한제품표면부의고분자와보강재의배향방향을보여준다. 이러한배향방향은수지흐름방향과일치하는데이것은충진과정중표면층의수지는곧바로고화가이루어지기때문이다. 이러한 Skin Orientation 해석결과는 Fill Time 결과와함께수지의충진방향을파악하거나, 제품의기계적특성을파악하는데사용된다. 일반적으로충격강도는표면배향방향으로크며, 보강재가첨가된재료는인장강도또한표면배향방향으로크다. Moldflow Plastic Adviser 92

93 3-11) Grow From Grow From Result는여러개의게이트가있을경우각게이트에의하여충진된영역을각각다른색으로나타낸다. 이결과는수지의유동이주어진런너시스템설계에의하여균형되게충진되었는가를판단하는데사용된다. 충진균형이이루어지지않으면사출압력이상승하고, 제품영역에따라보압전달에큰차이가나고결국수축률편차가발생한다. Moldflow Plastic Adviser 93

94 3-12) Volumetric Shrinkage Volumetric Shrinkage Result 는제품체적수축률을나타낸다. 체적수축률은보압, 냉각과정에서의각부분의온도이력과압력이력에 의하여결정된다. 즉냉각속도가빠를수록압력을크고길게많이받을수록수축률은작아진다. 체적수축률의 + 값은수축을의미하고 값은팽창을의미한다. 이를계산하는수식은아래와같다. ρ Volumetric Shrinkage = (1- ) 100 ρ(t room, P atm ) 체적수축률은 따라큰차이가나다. 제품의변형, Sink Mark, 제품치수등에큰영향을주며, 이러한체적수축률은제품설계, 금형설계그리고공정조건에 일반적으로제품의영역에따른체적수축률편차가변형의가장큰원인중의하나이다. 즉변형해석결과그변형의원인이평판방향의 수축률편차 (differential shrinkage) 로평가되었다면이결과를확인하고그수축률편차를줄일수있는방법으로설계및공정조건을 개선하여야한다. Moldflow Plastic Adviser 94

95 3-12) Quality Prediction Quality Prediction 결과는제품의예상되는품질을여러가지기준으로분석하여이를나타낸다. 이를판단하는기준은 Flow Front Temperature, Pressure Drop, Cooling Time, Shear Rate, Shear Stress이다. 이결과역시신호등표시의 3가지색상으로나타낸다. Green 영역이되기위한기준에서 Flow Front Temperature와 Pressure Drop은 Confidence of Fill 결과와유사하며, Cooling Time은전체평균냉각시간의 1.5배이내여야하며, Shear rate와 Shear Stress는수지 DB에정의되어있는최고값을넘지않아야한다. 신호등아이콘을클릭하고제품위에서마우스우측버턴을누르면이결과에대한상세한자료를관찰할수있다. Moldflow Plastic Adviser 95

96 Ⅲ 냉각해석 1. 냉각해석이론 2. 냉각해석실습 3. 냉각해석결과

97 1. 냉각해석이론 냉각해석의가장큰목적은금형온도를계산하는것이다. 유동해석에서는금형온도가설정된값으로일정한것으로가정하고해석하지만실제에서는냉각시스템과냉각수의설정조건에따라금형온도는달라지고이것이유동해석과변형해석에반영되어야한다. 물론균일한냉각을위한냉각시스템의최적화와냉각수조건설정의최적화도중요한고려요소이다. 금형온도잔류응력냉각해석유동해석변형해석 1-1) 1) 금형온도 금형온도는표면광택도, 수축률, 잔류응력등에영향을준다. 특히캐비티와코어의금형온도편차는제품의열에의하여유도된 잔류응력을증가시켜변형을일으키는주요한요소이다. 또한금형온도는사이클시간에큰영향을준다. 따라서냉각시스템설계와 냉각수조건설정의방향은제품을균일하고도빠르게냉각하여제품품질과생산성을동시에향상시키는것이다. 충진시작에의하여 플라스틱수지는냉각시스템에의하여냉각되고있는금형내로충진되어금형표면하고접하여 금형으로열을 잃는다. Injection Time Packing Time Cooling Time Mold Open Time Contact Time Moldflow Plastic Adviser 97

98 1-2) 금형의열전달 (1) 열전달경로사출에의하여유입된플라스틱수지의열량은금형내에서다양한방법으로열전달이이루어진다.( 냉각수를통한열전달, 전도, 대류복사등에의한열전달 ) 그러나대부분열은가장인접한냉각시스템으로열이전달된다. 따라서플라스틱수지의냉각에영향을주는요소는주어진냉각시스템에서플라스틱재료의비열, 열전도도, 밀도, 금형재질의열전도도, 마지막으로냉각수의조건설정 ( 온도, 유량 ) 이다. Heat out by radiation Heat out by convection Heat out to platen Heat in from plastic Heat in or out from cooling lines Moldflow Plastic Adviser 98

99 (2) 열전달효율수지의열이냉각채널에의하여금형밖으로이송되는경로와그전달효율에영향을미치는요소들을나타내었다. Plastic to the mold wall - 수지의물성 ( 비열, 열전도도, 밀도 ) Through the mold (Plastic/metal interface to the coolant/metal interface) - 금형의물성 ( 비열, 열전도도, 밀도 ) Coolant/metal interface to the coolant - 냉각수온도및유속 Cooling Time [Sec] Mold Temperature VS Cooling Time PA66 PP ABS Mold Temperature [ºC] Moldflow Plastic Adviser 99

100 (3) 금형온도의계산, BEM 방법 (boundary element method) 모든요소의경계를통하여열의이동을계산하여일정시간후의각요소경계의온도변화를계산하는방법이다. 여기서수지는균일온도로금형에완충상태라가정하며, 수지의열적물성, 금형의열적물성, 냉각수조건그리고대기온도를이용하여일정사이클후의최종적으로형성되는제품의표면온도를계산한다. 이것이바로냉각해석에의하여계산되는금형온도이며, 이값은실제금형에서한사이클평균금형온도에해당한다. Cycle Time P1 Melt Temperature P2 Atmosphere Temperature Melt Thermal conductivity + Specific Heat + Density Actual Mold Temperature actual Cycle Time averaged P2 P1 (a) 사이클동안의실제금형온도변화 Coolant Temperature + Flow rate Mold Thermal conductivity + Specific Heat + Density Theoretical Mold Temperature Cycle Time (b) 사이클동안의이론적금형온도변화 P2 P1 Moldflow Plastic Adviser 100

101 1-3) 냉각수유량 (1) 유량과금형온도주어진냉각시스템에서금형온도를결정하는중요한요소는냉각수의온도와유량이다. 일반적으로냉각수의속도가느리면냉각수는층류를형성하고냉각수내의열은층간의전도에의해서만전달되어결국흐름이진행됨에따라냉각수중심에비하여가장자리의온도는금형과의접촉시간이길어짐에따라크게상승한다. 이러한경우냉각수의온도는냉각수가장자리온도가되며결국금형온도를크게상승한다. 반대로냉각수의속도가빠를경우난류가형성되고열은전도와대류모두에의하여전달되어냉각수중심의온도와가장자리의온도는큰차이가없고결국금형온도는낮아진다. Coolant/Metal Interface Coolant Plastic/Metal Interface Plastic Temperature Gradient (a) 층유유동 Temperature Gradient for Laminar Flow < 2300 Reynolds No. Temperature Gradient for Turbulent Flow > 2300 Reynolds No. (b) 난류유동 Moldflow Plastic Adviser 101

102 (2) 최적의냉각수유량냉각수유량에따른열전달률증가는층류에서난류로되면서점차증가하다가레이놀즈수가 10,000을넘어서면서증가율이크게둔화된다. 따라서적절한냉각수의유량은레이놀즈수가 10,000이되게설정하는것이고그이상에서는열전달의작은개선은있지만냉각수의압력강하가크게증가하여냉각수펌프의용량만을증가시키는결과를만든다. 여기서레이놀즈수 (Reynolds No.) 는유체의층류와난류를구분하는기준으로다음과같이정의된다. Reynolds No. = 냉각채널직경 (D) 유속 (V) 동점도 ( ν) 열전달률 레이놀즈수 (Re) 유동형태 10,000 < Re 2,300 < Re < 10, < Re <2,300 난류유동 (turbulent flow) 과도유동 (transition flow) 층류유동 (laminar flow) 냉각시간 압력강하 Re < 100 정체유동 (stagnated flow) 냉각수유량 (flow rate) (3) 유량에따른냉각수온도변화냉각수가금형에서빠져나가는출수온도가입수온도보다 2~3 이상상승하면안되고냉각수중심과가장자리온도편차가 5 이하가되게하여야한다. 이것은냉각수의유량을충분히빠르게하여난류를형성하고, 냉각채널의길이가너무길지않도록적절히단절하여설계하면해결이가능하다. 온도차이가심할경우제품영역에따라금형온도편차가생기고결국수축률편차를유발한다. Moldflow Plastic Adviser 102

103 1-4) 냉각수의온도냉각수온도는목표로하는금형온도에준하여설정되며, 채널과캐비티의거리와금형의열전도도에따라다르지만일반적으로목표로하는금형온도의 10~30 이하로설정한다. 일반수돗물을냉각수로사용할경우계절에따라온도변화가심하므로주의하여야한다. 온도변화가생기면제품의수축률이달라지며, 심할경우미성형이발생할수도있다. 따라서온도제어장치등을이용하여냉각수의온도가일정하게공급되도록관리하여야한다. 그리고냉각수가 80 이하인경우에는냉각수로물을사용하지만그이상이되면오일을사용하여야한다. 또한냉각채널은주기적으로관리를하여야하는데냉각채널에미네랄퇴적물이생기면이는열전달을크게방해하여금형온도를상승시킨다. Part thickness W Channel diameter D b < 2mm < 4mm 8mm-10mm 10mm-12mm D < 6mm Spacing b 12mm-15mm = 2-3 X channel diameter (D) a Spacing a = max 3 X channel diameter (D) Moldflow Plastic Adviser 103

104 1-5) 금형온도관리균일한금형온도를유지하는것이냉각설계에서가장중요한부분이다. 제품상. 하측의균일하지않은금형온도는불균일냉각에의한내부잔류응력을증가시켜제품의변형을일으키는주요한원인중의하나가된다. 따라서냉각해석결과금형온도가상당히높은부분은냉각채널을보강하고오히려금형온도가상당히낮은부분은냉각채널을멀리하거나제거하여야한다. (a) Large Spacing NON UNIFORM HEAT REMOVAL (b) Small Spacing UNIFORM HEAT REMOVAL (c) T-shaped molding NON UNIFORM HEAT REMOVAL (d) T-shaped molding UNIFORM HEAT REMOVAL Moldflow Plastic Adviser 104

105 1-6) 냉각시스템설계열가소성수지제품의생산에서금형냉각이전체사이클의 2/3 이상을차지하고있다. 효율적인냉각회로설계는냉각시간을줄여서전체적인생산성을증가시킨다. 더욱이균일한냉각은잔류응력을줄이고치수정확도및안정성을유지함으로써품질을향상시킨다. (a) Proper cooling - Better part in shorter time (b) Poor cooling - Poor part in longer time (1) 금형냉각시스템요소전형적인금형냉각시스템은온도제어부, 펌프, 냉각수공급매니폴드, 호스, 금형내의냉각채널및냉각수배수매니폴드로이루어진다. A - 냉각수배수매니폴드 (collection manifold) B 금형 (mold) C - 냉각수공급매니폴드 (supply manifold) D - 펌프 (pump) E - 냉각채널 (cooling channels in mold) F - 호스 (hose) G 배플 (baffle) H - 온도제어부 (temperature controlling unit) Moldflow Plastic Adviser 105

106 (2) 냉각채널의종류냉각채널은병렬또는직렬로설계할수있다. 병렬냉각채널병렬냉각채널은냉각수공급부로부터냉각수배수부까지직선으로가공한다. 병렬채널의유동특성에의해각각의냉각채널마다냉각수유속이다르므로열전달효율도다르다. 결론적으로병렬냉각채널로는균일냉각을실현하기힘들다. 직렬냉각채널냉각수입구에서출구까지하나의유로로만이어진냉각채널을직렬채널이라하며, 이유형의냉각채널설계가많이사용된다. 균일냉각이가능하다는장점이있지만냉각수의채널길이가길어져서압력강하가커지다. 따라서냉각펌프의용량이커져야한다. (a) 병렬냉각채널 (b) 직렬냉각채널 Moldflow Plastic Adviser 106

107 (3) 기타냉각채널배플, 버블러그리고열핀은일반적으로일반냉각채널설계가쉽지않은부분에균일냉각을실현하기위하여대체할수있는냉각채널요소이다. 배플 (baffle) 배플은실제로주된냉각채널에수직으로가공되어중간판을이용하여냉각채널을 2개의반원으로나눈다. 냉각수는주된냉각채널로부터배플의한쪽반원으로흘러들어가반대쪽반원으로흘러나온다. 버블러 (bubbler) 버블러는중간판을관으로대체한것외에는배플과동일하다. 냉각수는주된냉각채널에서중앙관으로흐르고마치분수처럼위로흘러나와바깥관으로흘러나와냉각채널로이어져계속흐른다. 열핀 (thermal pin) 높은열전도율을가진액체로채워진실린더로써액체는금형으로부터열을받아서기화되고냉각채널에열을방출하면서액화된다. 열핀의열전달률은구리관의거의 10배이다. (a) Baffle (b) Bubbler Moldflow Plastic Adviser 107

108 Ⅲ 냉각해석 1. 냉각해석이론 2. 냉각해석실습 3. 냉각해석결과

109 2. 냉각해석실습 2-1) 냉각해석냉각시스템설계 (1) Model Open 하기 : 유동해석실습에서사용한모델을불러온다 (2) 냉각모델링아이콘띄우기냉각채널을모델링하기위해서는모델링도구를사용해야한다. (2) 냉각시스템의 Z축높이결정 Add cooling plane 아이콘을선택하고 3개의 cooling plane을잡는다 Plane-1 : 70mm Plane-2 : 20mm Plane-3 : -30mm 마우스로드래그하여적당한위치를선택할수도있다. Moldflow Plastic Adviser 109

110 (3) 냉각라인의치수결정냉각라인의형상은원통형이고지름 10mm이다. Baffle과 Bubbler은일단 Channel로설계를한다음나중에 Properties에서된다. 변경하면 (4) 냉각라인의모델링금형상측냉각채널을만들기위하여 Plane-1을선택하고 Add Cooling channel을클릭하면 Grid가나타나는데이들의간격과기타옵션은 File->Preference-> Grid Setting에서조정한다. Viewpoint 에서 front view 를선택하면오른쪽과같은화면을볼수있으며여기에서마우스로클릭 -> 클릭하여모델링할수있다. Moldflow Plastic Adviser 110

111 View Point 를 Front View를선택하고 Grid 상의각부분을마우스로클릭하여아래의형상을만든다. 금형치수를벗어나는부분은자동으로속성이냉각채널이아니라갈색으로된호스로속성이주어진다. 그리고반드시냉각수입구와출구는금형경계밖으로돌출되어야만냉각시스템으로써의역할을할수있다. 직접좌표값을입력하여정확한위치와치수로모델링할수도있다. 이번실습에서는간략히모델링하는방법을사용한다. Moldflow Plastic Adviser 111

112 평면냉각채널을모델링하고나면이번에는배플과버블러를모델링한다. 배플과버블러는이미모델링되어있는냉각채널의분기점에서만모델링이가능하다. 분기점이란채널을모델링할때두점을찍게되는데이때의양쪽끝과중간지점이된다. 확인하려면 add cooling channel 을눌러새로운모델링을하려고할때사각박스가생성되는지점이분기점이된다. 배플과버블러를모델링하기원하는위치가있을때에는평면냉각채널을모델링할때끊어서그려야한다. 파란색봉형태가냉각채널이다. 그리고사각박스는분기점으로이지점에서배플과 버블러를모델링할수있다. 따라서봉형태의냉각채널을원하는위치에서끊어서 모델링하여야한다. Baffle Bubbler 마우스를가져갔을때사각박스가생성되는 지점에서시작하여야하며상대좌표로 Z 축으로 -50mm 만큼생성한다. Moldflow Plastic Adviser 112

113 모델링을하고나면속성을부여해서완성하게된다. Z축으로내린냉각채널 3개를선택하고마우스오른쪽버튼을눌러 Properties 를선택한다. 여기에서 Baffle 과 Bubbler 를선택하면된다. 직경은 14mm Moldflow Plastic Adviser 113

114 Cooling plane 을 Plane 2 로변경하고 Add cooling channel 을선택하여코어측냉각채널을모델링한다. Moldflow Plastic Adviser 114

115 Cooling plane 을 Plane 3 으로변경하고 Add cooling channel 을선택하여코어측냉각채널을모델링한다. Moldflow Plastic Adviser 115